JPS6230038A - 多孔質セラミツク構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は主として内燃機関より排出される排ガス中に浮
遊するカーボン微粒子を捕集する捕集担体または排ガス
浄化用触媒担体等として有効に用いられる多孔質セラミ
ック構造体に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種の多孔質セラミック構造体としては、内部
に多数の連通孔を形成する三次元網目状のセラミック骨
格を有する多孔質セラミックよりなるフオーム型やハニ
カム型構造体が好適に用いられている。

ところで、例えばディーゼルエンジンから排出されるカ
ーボン微粒子は０．０１μ〜１０μ程度の広い粒径分布
を有しているが、その大部分は粒径０．５μ以下の小粒
径のものであり、これらは上記のような三次元網目状骨
格を有する構造では充分捕集効率が上がらなかった。

これに対してＵＳＰ４２６４３４６号公報には、三次元
綱目状セラミック骨格表面に全面にわたってセラミック
ファイバーを付着させることによって捕集効率を高めた
ものが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記構成の多孔質セラミック構造体にあっ
ては、三次元綱目状のセラミック骨格表面に全面にわた
って、セラミックファイバーが付着形成されているため
使用するに従って圧力損失が大きくなるという問題があ
った。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 そこで本発明は上記の如く問題点を解消するために前記
構造体の他端例の前記三次元網目状のセラミック骨格表
面に高密度にセラミックファイバーを付着させた多孔質
セラミック構造体を採用するものである。

〔作用〕

上記手段によればセラミックファイバーが三次元セラミ
ック骨格のうち、構造体の出口側に高密度に付着させて
いるため比較的粗大な粒子は入口側に捕捉され、比較的
微細な粒子が出口側に捕捉されるため長時間の使用によ
っても気流通過時の圧力損失が大きくならない。

〔発明の効果〕

従って本発明によれば、高い捕集効率を達成しかつ同時
に圧力損失の小さい多孔質セラミック構造体が提供でき
るという優れた効果を有する。

〔実施例〕 以下本発明を図に示す実施例について説明する。

第２図ｆａ）は、本発明の多孔質セラミック構造体をデ
ィーゼルエンジンから排出されるカーボン微粒子の捕集
用に用いた多孔質セラミックフィルター１の排出ガス入
口側からみた正面図、第２図（ｂｌは、その軸線方向の
断面図である。セラミックフィルター１は、外径１０７
龍、長さ７・８鶴の円柱形状であって、コーディエライ
ト系セラミックからなる。なお、これ以外にもＳ　ｉＣ
，Ｓ　１３Ｎｎ、　Ａ　（ｌ　ｚ○３β−スポジューメ
ン系等の種々のセラミック材料にあってもよい。最外周
部には、厚さ２１１１にわたって緻密に構成された補強
層２が形成されている。

内部は、第３図にその微細構造を説明するような多孔質
セラミック構造体からなる。すなわち、三次元網目状の
セラミック骨格４と、それにより囲まれて形成される通
気部５を存し通気部の大きさを示す目の粗さは３０〜５
ｏメソシユ／インヂである。セラミックフィルター１の
内部には、格子状に配列された断面円形の内部中空穴６
が隔壁３を隔てて軸線に対して平行に多数設けられてい
る。

また中空穴はひとつおきに反対側の端面７または８に開
口し、他端は７ａおよび８ａで封止されている。すなわ
ち排出ガス入口側端面８、出口側端面７に入口穴６１お
よび出口穴６２が多数開口している。開口率、すなわち
内部中空穴の断面積の総和がセラミックフィルター１の
全体の断面積にしめる割合は約２０％である。

次にこのフィルター１の隔壁３の断面構造を第１図の拡
大模式図に示す。１０は隔壁３の出口穴６２の内周表面
近傍に高密度に付着させたセラミックファイバーで、三
次元網目状のセラミック骨格表面に付着し、連通空間内
に延びているものでありその分布状態を第４図に示す。

すなわち入口穴６２の内周表面６２ａから出口穴６１の
内周表面６１ａに向う距離χ（０≦χ≦２）とセラミッ
クファイバ−１０の付着重量の関係は、図に示すように
出口穴表面６２ａ近傍でセラミックファイバ−１０が高
密度で付着しており人口大表面６１ａは、はとんど付着
していない。なおこのセラミックファイバーの付着量は
総量で５０〜２００ｇでありその平均径は５〜１０μ、
平均長さは１００〜６００μである。またこのセラミッ
クファイバ−１０は第５図（ａ）、（ｂｌの軸方向およ
び径方向断面図に示すように、表面に微細な凹凸を有す
る中空ファイバーで、後述するようにこのファイバーは
炭素繊維にＴ−アルミナ超微粒子を付着させた後炭素繊
維を消失させるという製造方法を採用しているため中空
形状となっている。

またこのセラミックファイバーは、後述するように炭素
繊維を気流にのせてセラミックフィルタの出口側端面７
から流入させ付着させているため、隔壁３の平均通気孔
径は、入口穴内周表面６１ａ近傍で５００〜６００μ、
そして出口穴内周表面６２ａに向うに従って徐々に小さ
くなり、出口穴内周表面６２ａでは２０〜４０μとなっ
ている。

ここで、本発明のセラミック構造体１の製造方法を説明
する。一般に三次元網目状構造の隔壁を有するセラミッ
クフィルターを得るには、同様な三次元網目構造を有す
るポリウレタンフォームなどの有機化合物を骨材として
使用し、この骨材の表面にセラミック材料を固着し、こ
れを焼成すると母材たる有機化合物が燃焼飛散し、周囲
のセラミ・７り材が母材と同様の構造となることを利用
する。

すなわちウレタンフオームの成形は、セラミック構造体
１と同一の外形形状のキャビティを有する金型のキャビ
ティ内面に予めワラスフ系離型剤を、成形型の離型剤の
融点以上に加熱しておき、スプレーまたはハケ塗りによ
って塗布する。次に成形型を３０°Ｃ〜５０°Ｃに調整
しておき、成形型容器内に有機イソシアネート、ポリオ
ール、整泡剤１発泡剤および触媒を混合したウレタンフ
オーム原料混合液を攪拌混合しながら注入する。ここで
、前記有機イソシアネートとしては、トリレンジイソシ
アネート、またはメチレンジイソシアネートまたは両者
の混合物、前記ポリオールとしては、ポリエーテルポリ
オールおよび、またはポリエステル系ポリオールとから
なる重合体ポリオール、またはこれとポリエーテルポリ
オールとの混合物、前記発泡剤としては、水または、ハ
ロゲン置換脂肪族炭化水素系発泡剤（トリクロロモノフ
ロロメタンなどのフロン類）、または両者の混合物、前
記整泡剤としては、アルコール変性シリコーン整泡剤、
前記触媒としては、樹脂化反応を促進する触媒としてア
ルコールとイソシアネ−１・との反応触媒として有効に
用いられる３級アミンおよびその有機酸塩類、発泡反応
を促進する触媒としては、水とイソシアネートとの反応
触媒として有効に用いられるＮ−エチルモルホリン、エ
タノールアミン等を用いた。ウレタンフオーム原料混合
液をキャビティ内で発泡させた後１００℃〜１２０℃で
２０〜６０分間加熱硬化させる。

次に、このウレタンフオーム成形体にセラミ・ツクスラ
リーを含浸させた後、ポリウレタンを焼成し多孔質セラ
ミックフィルターを得る方法について詳述する。含浸に
使用されるセラミックスラリ−の原料は、焼成によりコ
ージェライト組成となる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、
アルミナ（Ａ４２ｚＯｚ）、シリカ（ＳｉＯｚ）を含む
混合粉末、あるいは上記混合物粉末を加熱しコージェラ
イト系セラミ・ツクにし、これを粉末化した合成コージ
ェライト粉末、あるいは両者の混合物にメチルセルロー
ス、ポリビニルアルコール等のバインダ、および水を加
えたものである。前記ウレタンフオームをこのスラリー
に含浸した後、エアガンや遠心分離装置を用いて余分な
スラリーを除去し、１００〜１５０℃の乾燥炉の中で２
〜３時間乾燥する。以上の含浸から乾燥までの操作を２
〜３回操り返し、必要量のセラミックスラリ−をウレタ
ンフオーム発泡体骨格表面に付着させる。その後外周面
に全体にセラミックスラリ−を付着させ補強層２を形成
させて焼成温度１３５０〜１４１０°Ｃで５〜６時間焼
成処理を行う。

次に以上のような方法で製作した三次元網目状空間を有
するセラミックフィルターを、第６図に示す炭素繊維付
着装置にて、出口穴内周表面６２ａ側に高密度に炭素繊
維を付着させた。この装置はセラミツタフィルターを収
納するケース２０と直径１０〜３０μ、長さ０．１〜１
１１１の炭素繊維２１を収納した容器とを通風パイプで
接続してなり、パイプ２３ａは図示しない圧縮空気供給
源から容器２２の底部に圧縮空気を吹き込み、炭素繊維
２１を気流中に浮遊させる。この気流は容器２２の上部
からパイプ２３ｂによりケース２０に導かれセラミック
フィルターの出口側端面７から入口側端面８に向って通
人する。このとき炭素繊維の７季遊する気流は出口穴６
２内に入り、出口穴６２内円面の三次元網目状セラミッ
ク骨格表面にｔｌＩｉ捉され、残りの気流が入口穴６１
から入口側端面８から出る。このようにしてこのフィル
ターには出口穴内周表面６２ａ側に高密度に炭素繊維が
捕集され全体で５〜１０ｇとなるよう付着させる。

次にこのセラミックフィルタを、第７図のセラミックフ
ァイバー形成装置にてセラミックファイバーを付着形成
させた。この装置は、セラミックフィルタを収納するケ
ース３０と、このケース３０に圧縮空気を通人させるパ
イプ３１と、このパイプ３１のケース３０上流側にγ−
アルミナ超微粒子を含む溶液の霧滴を供給する霧化装置
３２とからなる。霧化装置３２は、容器３３にファン３
４とγ−アルミナ懸濁水貯溜槽３５とからなり、貯溜槽
３５の底部には超音波振動子３６が配設され、交流電圧
の印加により振動してＴ−アルミナ超微粒子の懸濁水か
ら霧滴を発生させ、これをファン３４により発生させた
気流にのせてパイプ３１に供給する。γ−アルミナ超微
粒子を懸濁させた霧滴は気流にのってケース３０内に出
口側端面７を上流側になるように配置されたセラミック
フィルター中を流下し、前工程で付着していた炭素繊維
の表面にγ−アルミナ粒子を含む溶液を付着させる。な
おこのときγ−アルミナは炭素繊維表面だけでなく三次
元網目状セラミック骨格４表面にも付着し総付着量は５
０〜２００ｇである。次にこのセラミックフィルターを
８００〜１２００℃で１〜３時間焼成すると、炭素繊維
が酸化焼失し、Ｔ−アルミナ粒子は焼結されて第５図に
示すようなセラミックファイバー１０が形成される。

次に以上の工程によって製作されるセラミックフィルタ
ー１の捕集特性について説明する。第８図は、このフィ
ルタ１を排気容量２．２１のディーゼルエンジンを２０
００回転／分、駆動トルク５　ｋｇ−ｍの条件で運転し
たときの捕集効率と圧力損失の経時変化を説明する特性
図で、この捕集効率はフィルタ１の上流側の排ガス中に
含まれるカーボン微粒子の総重量に対して、フィルター
１に捕集されたカーボン微粒子の重量割合である。（以
下同様）図に示すように捕集効率は９０％以上、３時間
経過後の圧力損失が２００■■Ｈｇ、４時間経過後で３
００＋＋ｎＨｇの低圧力損失を実現することができた。

この様に高捕集効率、低圧損が実現できたのは、　　・
隔壁３を排気ガスが流れるとき、まず、三次元網目状の
セラミック骨格４の部分で、排気ガス中のカーボン微粒
子のうち大きい粒子が捕集され、更に隔壁３の出口穴表
面６２ａ近傍では三次元網目構造体とセラミックファイ
バー１０が存在するため実質の綱目が細かくなっており
カーボン微粒子の中程度、あるいはさらに微細な粒子の
捕集が可能となって、高捕集効率が可能となった。一方
低圧［員は隔壁３の排ガス上流側で粗大なカーボン微粒
子が捕集され、残った細かい微粒子が、セラミックファ
イバー１０の付着した部分で捕集されたため、セラミッ
クファイバー１０の付着している出口穴内周表面６２ａ
側での捕集量が低減されたため、結果的に圧力損失が低
くなったと推定される。

第９図は本発明のセラミックフィルター１の特性を従来
のものと比較した図で、第８図の特性試験と同一の条件
で、捕集効率および３時間経過後の圧力損失を示すもの
である。比較する従来のものとしては上記実施例と同一
形状のセラミ・ツクフィルター１に本発明の実施例と同
量のセラミックファイバーを付着させたＵＳＰ４２６４
３４６号と同一構造のもの、および目の粗さ２０．１４
メソシュ／インチの上記実施例と同一の大きさで、入口
、出口穴のないフオーム状のもの、壁面の通気孔が３０
〜５０μの大きさの多孔質セラミックからなりセル数（
単位断面積当りの通気路の数）３００メソシュ／インチ
、隔壁厚さ０．３　ｍｍのハニカム状のもので格子状の
通気孔はひとつおきに互いに反対側の端面で封止された
ものである。図かられかるように本発明により、高捕集
効率、低圧…の高い特性を示している。

なおセラミックファイバー形成工程における炭素繊維の
付着量としては、１０ｇ以上とすると、出口穴内周表面
６２ａ近傍での平均通気孔系が２０〜４０μよりも細か
くなりその結果捕集効率は若干上がるものの圧力損失の
上昇が著しくなり好ましくない。また５ｇ以下であると
、上記平均通気孔径が４０μ以上となり捕集効率が低下
する。

従って炭素繊維の付着量は５〜Ｌｏｇが好ましい。

またこの炭素繊維の繊維径は、同様に出口穴内周表面６
２ａ近傍での平均通気孔径が、２０〜４０μとなるよう
にするために１０〜３０μとするのが好ましい。

次に本発明の他の実施例について説明する。本発明のセ
ラミックファイバ−１０は、γ−アルミナの他にコージ
ェライトであってもよく、この場合は粒径０．１〜１０
μのＭｇＯ２部、Ａｌ５Ｏ１２部、Ｓｉ０２５部の懸濁
水を炭素繊維上に付着させた後同様の条件で焼成するこ
とによって得られる。またこの他にＳ　ｉ　Ｃ，Ｓ　！
　＊Ｎａ、　Ａ　１２０３゜５ｊ０２等の微粒子からも
同様にして形成できる。

さらにこのセラミックファイバーは、直接第６図に示す
装置によりセラミックファイバーを気流中に浮遊させ、
セラミックフィルターに付着捕集したものを焼成しても
よいことは言うまでもない。

この場合セラミックファイバーは、ＳｉＣ。

Ｓ　ｉ　ｓＮａ、　Ａ　ｎ　２０３１ゴージエライト等
の直径１０〜３０μ、長さ０．１〜１龍の短繊維又はウ
ィスカーが好適に使用できる。

また上記実施例の炭素繊維にかえて有機繊維又は天然繊
維等加熱消失し得るものが同様に使用できる。

さらに本発明は上記実施例の入口穴、出口穴を有する構
造の他に、入口穴、出口穴のないフオームタイプのもの
にも適用できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックフィルター１の微細構造を
説明する断面模式図、第２図（ａ）、　（ｂｌはこのセ
ラミ・７クフイルター１の外形を示す正面図および軸方
向断面図、第３図は三次元網目状セラミック骨格の形状
を説明する部分拡大図、第４図は第１図におけるセラミ
ックファイバー１０の付着量を説明する特性図、第５図
（ａ）、　（ｂ）は、セラミ。 クファイハ−１０の形状を説明する軸方向および半径方
向の断面図、第６図、第７図は本発明のセラミックフィ
ルター１の製造に使用する装置を説明する模式図、第８
図、第９図は本発明のセラミツタフィルター１の捕集性
能を説明する特性図である。 ４・・・セラミック骨格、５・・・連通孔、１０・・・
セラミックファイバー、６１ａ・・・入口大側表面、６
２ａ・・・出口大側表面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に多数の連通孔を形成する三次元網目状のセ
   ラミック骨格を有する多孔質セラミックよりなり、一端
   から他端に向けて流体を通過させる多孔質セラミック構
   造体において、 前記構造体の他端側の前記三次元網目状のセラミック骨
   格表面に高密度にセラミックファイバーを付着させたこ
   とを特徴とする多孔質セラミック構造体。